A trópusi üledékes kőzetek tanúsága szerint több százmillió évvel ezelőtt gleccserek és tengeri jég borította be a Földet. A legszélsőségesebb forgatókönyvek szerint még az egyenlítő környékén is több méter vastag volt a jégréteg. Ezt az időszakot „hógolyó-Földnek” nevezték el a szakértők. és azt gondolhatnánk, hogy ekkoriban szörnyű lehetett minden élőlénynek. Ez talán így is volt az élővilág egy része számára, de nem mindenkinek. Az eljegesedés utáni melegebb időszakból származnak ugyanis az első bizonyítékok a többsejtű állatok létezésére. Az élet ezt követően ugrásszerű fejlődésnek indult. De mi köze lehetett mindennek a hideg időszakhoz?

Carl Simpson és kollégái egy nemrégiben megjelent tanulmánysorozatban egy alapvető fizikai ténynek tulajdonítják a megfigyelt innovációt:

Mintha egyre inkább mézben úsznának, víz helyett. Amennyiben a mikroszkopikus organizmusok ilyen körülmények között nehezen jutottak elegendő táplálékhoz, nyomás alá kerültek, hogy megváltozzanak – többek közt talán az lett a megoldás, hogy egymásba kapaszkodtak, hogy nagyobb csoportokat alkossanak, és nagyobb erővel mozogjanak a vízben. És talán ez változás vezetett a többsejtű állati élet kezdeteihez.

Az elképzelés tesztelésére Simpson, a Coloradói Egyetem paleobiológusa és csapata egy olyan kísérletet végzett, amely során azt vizsgálták, hogy mit tesz egy modern egysejtű élőlény, amikor nagyobb viszkozitással szembesül. Egy hónapon keresztül ő és tanítványa, Andrea Halling azt figyelték, hogy egy zöldmoszatfaj egyedei hogyan alkotnak nagyobb, összehangoltabb csoportokat, amikor sűrűbb táptalajba kerülnek. A moszatok együtt mozogtak a folyadékban, hogy hatékonyabban táplálkozzanak. És ami érdekes, a sejtcsoportok a kísérlet befejezése után is 100 generáción át együtt maradtak.

A kutatás újszerű megközelítést kínál a többsejtű élet kialakulásával kapcsolatban, mondja Phoebe Cohen, a Williams College paleontológusa, aki az évek során sokat beszélt Simpsonnal az ötletéről, de egyébként nem vett részt a munkában. Cohen elmondása szerint a tudományterület hemzseg az állati többsejtűség kialakulásának kiváltó okairól szóló, geokémiai mérésekre támaszkodó vizsgálatoktól, de csak kevesen foglalkoznak az egyes élőlények biológiájával.

Fagyos paradoxon

A hógolyó-Föld akkoriban vált népszerű teóriává, amikor Simpson az 1990-es években egyetemi hallgató volt. Joseph Kirschvink geokémikus mutatott rá 1992-ben, hogy erős geológiai bizonyítékok vannak a globális eljegesedési eseményre. Aztán 1998-ban Paul Hoffman harvardi geológus és munkatársai közzétettek egy korszakalkotó tanulmányt, amelyben namíbiai üledékes kőzetek elemzését ismertették. Az eredmények alapján nagyon úgy tűnt, hogy 700 millió évvel ezelőtt a világ legmelegebb részein gleccserek voltak.

A hógolyó-Föld időzítése azonban már akkor is nyugtalanította Simpsont.

– mondja a kutató. A hógolyó- Föld előtt a fosszíliák mikroszkopikusak voltak, utána pedig nagyok és komplexek.

Nehéz pontosan datálni, hogy mikor alakultak ki az állatok, de a mutációs rátákon alapuló molekuláris órákból úgy tűnik, hogy a többsejtű állatok utolsó közös őse valamikor 660–717 millió évvel ezelőtt fejlődött ki. A nagyobb méretű, egyértelműen többsejtű állatok tízmillió évvel azután tűnnek fel a fosszíliákban, hogy a Föld egy másik, rövidebb, 635 millió évvel ezelőtti eljegesedést követően „kiolvadt”.

A paradoxon – egy látszólag életellenesen viselkedő bolygó, amely komoly lökést ad az evolúciónak – továbbra is zavarba ejtette Simpsont, és egész pályája során gondolkodásra késztette. 2018-ban aztán rájött valamire: ahogy a tengervíz egyre hidegebb lesz, úgy sűrűsödik. Ez alapvető fizika – a vízmolekulák sűrűsége és viszkozitása a hőmérséklet csökkenésével nő. A hógolyó-Föld időszalában az óceán kétszer, sőt négyszer olyan viszkózus lehetett, mint a bolygó megfagyása előtt. Simpson elgondolkodott azon, milyen lehetett mikroszkopikus organizmusnak lenni az óceánban ebben az időszakban, és rájött, hogy talán mégis feloldható a paradoxon.

A nagyon apró egysejtű élőlények számára a sűrű tengervíz nagy problémákat jelenthetett. A baktériumok táplálkozásában fontos a diffúzió – a vízben levő tápanyagok magas koncentrációjú területekről az alacsony koncentrációjúak felé történő áramlása –, vagyis általában kivárják, hogy a táplálék eljusson hozzájuk. Alacsony hőmérsékleten azonban a diffúzió lelassul. A tápanyagok nem jutnak el olyan gyorsan vagy olyan messzire, így a sejtek számára a hideg és viszkózusabb folyadékban való élet azt jelenti, hogy kevesebb táplálékhoz jutnak. Még a nagyon kicsi, magukat mozgatni képes organizmusok is lassabban mozognak a hideg vízben, ennek eredményeként ritkábban találkoznak táplálékkal.

Egy nagyobb szervezet viszont könnyebben képes a sűrűbb vizekben is közlekedni. Egy sejtcsoportnak nagyobb a tehetetlensége, vagyis együttes tömegük elég nagy ahhoz, hogy lendületet vegyenek, és áthaladjanak a sűrűbb folyadékon.

– mondja Simpson.

A szakértő 2021-ben publikálta hipotézisét, miszerint a hógolyó-Föld viszkozitása jelentős terhet jelenthetett az organizmusok táplálkozási képességére, és ez ösztönözhette a többsejtűség kialakulását. Ezután a Santa Fe Intézet munkatársaival együtt matematikai modelleket kezdett kidolgozni olyan kis élőlényekről, amelyek egyre sűrűbb folyadékokban élnek. A biorxiv.org-ra 2023 végén felkerült és a közelmúltban a Proceedings of the Royal Society B szakfolyóiratban publikált modellekben a diffúziós táplálkozással élő élőlények a sűrűbb folyadékokra méretük csökkentésével reagáltak.

A saját mozgásra képes sejtek, viszont egyre nagyobb többsejtű csoportokat alkottak. Ez arra utalt, hogy ha a hógolyó-Föld megjelenésekor már léteztek többsejtű szervezetek – vagy legalábbis olyanok, amelyek képesek voltak többsejtű formákat felvenni –, akkor a sűrűbb folyadék okot adhatott nekik arra, hogy még nagyobbra nőjenek. Az eredmények érdekesnek tűntek, de ezek csak számítógépes modellek voltak. Simpson úgy gondolta, valódi organizmusokkal is elvégezi a kísérleteket.

Élet a sűrű oldalon

A biológusok nem képesek visszautazni az időben, hogy teszteljék a hógolyó-Föld valódi körülményeit, de megpróbálhatják a laboratóriumban újraalkotni azok egyes aspektusait. Egy hatalmas, egyedi készítésű Petri-csészében Halling és Simpson agargélből egy céltáblaszerű rendszert alakítottak ki. A középen normál viszkozitás volt jellemző, amelyet a tesztelt mozgásképes moszatok laboratóriumi tenyésztéséhez szoktak használni. Kifelé haladva minden egyes koncentrikus gyűrűben egyre magasabb volt a viszkozitás, míg végül elérték a sztenderd szint négyszeresét. A kutatók középre helyezték a moszatokat, rájuk irányítottak egy kamerát, és 30 napig magukra hagyták őket – ez elég idő ahhoz, hogy a moszatok mintegy 70 generációja élje le az életét.

Halling és Simpson azt gyanította, hogy ahogy a moszatok elszaporodnak és a normál viszkozitású középső kör egyre zsúfoltabbá válik, minden olyan moszatsejt, amelyik kibírja a sűrűbb közegeket, kifelé terjeszkedik. És talán azok, amelyek elérik a legkülső gyűrűt, másképp néznek ki és másképp viselkednek, mint azok, amelyek a középen maradnak.

Simpson különösen kíváncsi volt arra, hogy a legnagyobb viszkozitású gyűrűbe eljutó moszatok találnak-e módot arra, hogy növeljék mozgási sebességüket. A moszatok fotoszintetizálnak, tehát a napból nyerik az energiát. De a környezetből tápanyagokat, például foszfort kell felvenniük, így a mozgás továbbra is fontos a túlélésükhöz. Ahhoz, hogy a nagy viszkozitású környezetben is megőrizzék ugyanazt a tápanyagszintet, meg kell találniuk a módját, hogy növeljék a sebességüket.

A legnagyobbak több százas sejtből álltak. Ami azonban Simpsont még jobban érdekelte, azok a 4–16 sejtből álló, mozgékony csomók voltak, amelyek úgy helyezkedtek el, hogy az ostorok mind a kifelé néztek. Ezek a csoportosulások úgy mozogtak, hogy összehangolták az ostorok mozgását, a csoport hátsó részén lévők mozdulatlanul maradtak, az elöl lévők pedig mozogtak. Ha összehasonlították ezeknek a csomóknak a sebességét a középen tanyázó egyes sejtekével, érdekes dolgokra derült fény. „Mindannyian ugyanolyan sebességgel úsztak” – mondta Simpson. Azáltal, hogy a moszatok kollektívaként működtek együtt, meg tudták őrizni a mozgékonyságukat.

Érdekes módon, amikor a kutatók kiemelték ezeket a kis csoportokat a nagy viszkozitású gélből, és alacsony viszkozitású gélbe helyezték, a sejtek együtt maradtak. A kutatók tovább figyelték őket, még körülbelül 100 generáción át, és ez közben sem változott. Simpson szerint nyilvánvaló, hogy bármilyen változáson is mentek keresztül, hogy a magas viszkozitásban túléljenek, azt nehéz volt visszafordítani.

Sejtszintű nézőpont

Nagyméretű, komplex élőlényekként nem sokat gondolunk a minket körülvevő folyadékok sűrűségére. Ez nem része a mindennapi élettapasztalatainknak, és olyan nagyok vagyunk, hogy a viszkozitás nem nagyon érint minket. A könnyű mozgás képességét természetesnek vesszük. Attól kezdve, hogy Simpson először felismerte, hogy a mozgás ilyen korlátai monumentális akadályt jelenthetnek a mikroszkopikus lények számára, nem tudta abbahagyni az ezirányú gondolkodást.

Más kutatók is egészen újszerűnek találják Simpson elképzeléseit. Őt megelőzően, úgy tűnik, senki sem gondolkodott sokat azon, hogy az organizmusokat milyen fizikai behatások érték az óceánban a hógolyó-Föld időszakában, mondja Nick Butterfield a Cambridge-i Egyetemről, aki a korai élet evolúcióját tanulmányozza. Ahogy mondja, Simpson ötlete nagyon fontos. A hógolyó-Föld többsejtű állatok, növények és moszatok evolúciójára gyakorolt hatásáról szóló elméletek túlnyomó többsége arra összpontosít, hogy a kőzetekben lévő izotópok szintjéből következtetett oxigénszint hogyan billenthette át a mérleg nyelvét.

Az elmélettel kapcsolatban persze számos bizonytalanság is akad. A legnagyobb, hogy az állatok kialakulásának idővonala nagyon bizonytalan, nem tudni, hogy a közös ős valóban az eljegesedés alatt alakult ki, vagy inkább jóval utána. Érdemes volna továbbá megismételni a kísérletet más, az állatokkal közelebbi rokonságban álló egysejtűekkel, és nem fotoszintetizálnak. Simpsonék már jelenleg is dolgozik ezen, galléros ostorosokkal kísérletezve.

„Ezek igazán gyönyörű és bonyolult élőlények” – mondja. Nagyon sokféle formát vehetnek fel: vannak gyors úszók hosszú ostorokkal, lassú úszók, és olyanok, amelyek a felszínhez tapadnak, hogy növekedjenek. „Képesek ilyen kis indákat növeszteni az ostor csúcsáról, és úgy járkálni, mintha gólyalábaik lennének, nemi életet élnek, és összeolvadnak, változatos kolóniákat alkotva... ha összepréseljük őket, elveszítik az ostoraikat, és amőbává alakulnak” – mondja. Amikor egy radikálisan új környezeti kihívásokra kell reagálniuk, akkor sok lehetőség áll előttük, folytatja Simpson.